设计光流
插图中显示的新颖结构旨在做一件事：在传输时改变光的形状。在最近的一篇论文中，Mercedeh Khajavikhan 教授和她的团队展示了如何通过使用可能对我们生活的许多方面产生深远影响的新理论模型来做到这一点。
激光可以产生用于成像和传感的光，通过光纤电缆进行高级通信，并内置到芯片中以将计算能力提高到前几代人无法梦想的水平。尽管这些进步中的每一项都可能以机械、航天、生物医学或计算机工程师制造的新设备而告终，但它们都是从光子学开始的。
光粒子倾向于像波一样移动，而光子学是利用这些波的科学。从纠缠光子量子通信的尖端实验，到智能手机屏幕、激光雷达和光纤互联网等日常技术，光子学对我们生活的改变超出了大多数人的想象。尽管该领域已经存在了一个多世纪，但研究人员仍在不断开拓新的领域。
这些前沿之一称为拓扑光子学。它将传统光子学与拓扑物理学相结合——这一领域部分由诺贝尔奖获得者和前南加州大学教授邓肯·霍尔丹开创。拓扑物理学——对空间形状及其排列的数学研究——已被用来解释电子学中许多有趣的特性，并导致了几种新材料和设备的开发。现在，通过将拓扑物理和光子学相结合，研究人员可以设计出更具创造性和前所未见的光结构。
那么，这个新结构有什么特别之处，他们是如何建造的呢？该团队首先使用拓扑物理来提出他们想要探索的设计。然后他们运行模拟以了解结构中的元素应如何相互作用。接下来，他们设计单个单元——构成整个结构的小构件。一旦单元设计完成，他们必须决定如何将它们排列在一起以形成结构。最后，将设计带到纳米制造洁净室，在那里制造尺寸小于 0.25 平方毫米的物理产品。我们剩下的是一个完全独特的结构，当光流过时，它会形成一种新颖的形状。这种新形状又具有新的品质，例如更好的激光纯度和更高的效率。
令人印象深刻的是，Khajavikhan 和她的团队决定走得更远。这就是物理和光子学的结合真正发挥作用的地方。拓扑材料可以表现出惊人的新传输特性，但它们不能轻易地在“开”和“关”状态之间切换。将这些轻型结构想象成最先进的赛车。他们可以比竞争对手更快、更努力、做更多事情。但是，如果您一旦启动发动机就无法关闭汽车，那么它就不是一个非常实用的机器。
这正是南加州大学团队能够做到的——控制这盏新灯。他们从光子系统中引入了一种称为“光泵浦”的技术，使结构的拓扑特性能够打开和关闭。不仅控制光的形状，而且控制光流经系统的时间和方式的能力至关重要。
对于研究人员来说，研究这种新结构的工作才刚刚开始。 “我们的发现为研究拓扑系统开辟了全新的途径，我们计划设计更多的设计，以改变全息屏幕和高功率激光器等众多行业的面貌，”Khajavikhan 说。
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